Multilayer inflatable habitat structures with self-healing polymers: radiation transport and molecular dynamics analysis

The aim of this thesis is to investigate the design of multilayer laminate architectures for inflatable space habitat structures, with particular attention to the integration of self-healing materials. Starting from a reference lamination sequence representative of a generic inflatable habitat envelope, a MATLAB based optimization was performed to evaluate alternative materials. Both flight-proven materials and modern candidate materials were assessed against the key functional requirements of a typical inflatable space habitat, including thermal performance, micrometeoroid and orbital debris (MMOD) protection, radiation shielding effectiveness and overall mass efficiency. Particular emphasis was placed on space radiation due to its critical impact on long-duration manned missions and the need to better understand the performances of self-healing materials in such environments. Radiation transport simulations were performed using NASA’s High Charge and Energy Transport code (HZETRN2020). The primary shielding performance metric was the equivalent dose through the multilayer laminate, evaluated under multiple space radiation boundary conditions such as Galactic Cosmic Rays (GCR), Solar Particle Events (SPE) and Low Earth Orbit (LEO) environment. GCR and SPE irradiation were simulated for different mission scenarios, in particular interplanetary free space and lunar and martian surfaces. Finally, a preliminary radiation damage analysis of a polyurethane-based self-healing material was carried out using the Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) developed by Sandia National Laboratories (SNL). The objective was to provide an initial inspection on radiation-induced damage mechanisms and a first order assessment of the radiation tolerance of this class of self-healing polymers under high dose conditions.

L’obiettivo di questa tesi è quello di studiare la progettazione di architetture laminate multistrato per strutture abitative gonfiabili usate in ambito spaziale, con particolare attenzione all’impiego di materiali auto-riparanti. A partire da una sequenza di laminazione di riferimento, rappresentativa di un generico habitat gonfiabile, è stata sviluppata un’ottimizzazione in ambiente MATLAB per esplorare possibili configurazioni con materiali alternativi. Sono stati considerati materiali già impiegati con successo in applicazioni spaziali e materiali candidati più recenti, confrontandoli rispetto ai requisiti funzionali principali di un tipico habitat gonfiabile: prestazioni termiche, protezione da micrometeoriti e detriti orbitali, efficacia di schermatura dalle radiazioni e contenimento della massa. Un’attenzione particolare è stata dedicata alla radiazione spaziale, elemento critico per missioni umane di lunga durata e tema su cui è ancora importante chiarire il comportamento dei materiali auto-riparanti. Le prestazioni di schermatura dei laminati sono state studiate tramite simulazioni di trasporto radiativo con il programma High Charge and Energy Transport code (HZETRN2020) della NASA. Come indicatore principale è stata utilizzata la dose equivalente attraverso il multistrato, considerando diversi ambienti radiativi: raggi cosmici, eruzioni solari e particelle cariche intrappolate in orbita bassa. I primi due ambienti sono stati inoltre analizzati in più scenari di missione, includendo lo spazio interplanetario e le superfici lunare e marziana. Infine, è stata svolta una analisi preliminare del danno da radiazione su un materiale auto-riparante a base poliuretanica tramite il software Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) sviluppato da Sandia National Laboratories (SNL). L’obiettivo è stato quello di individuare i meccanismi di degradazione indotti dalla radiazione e fornire una stima di primo ordine della tolleranza di questa classe di polimeri in condizioni di dose elevata.